具有塞子的預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元(10)，所述單元(10)包括基底(12)和設(shè)置在總膜區(qū)域(A總)上方的膜(14)，其中腔室(20)形成于所述膜(14)和所述基底(12)之間，所述膜包括孔(15)和圍繞所述孔(15)的邊緣部分(14a)。所述膜(14)的邊緣部分(14a)塌陷至所述基底(12)。所述單元(10)還包括布置在所述膜(14)的孔(15)中的塞子(30)，所述塞子(30)僅位于所述總膜區(qū)域(A總)的子區(qū)域(A子)中。本發(fā)明還涉及制造這種預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元(10)的方法。
【專利說明】具有塞子的預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元
發(fā)明領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元，特別地涉及一種電容式微加工超聲換能器(capacitive micro-machined ultrasound transducer) (cMUT)單?；蛞环N電容式微加工壓力傳感器單元，以及制造所述換能器單元的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]最近，已開發(fā)出微加工超聲換能器(MUT)。微加工超聲換能器已以兩種設(shè)計(jì)方法進(jìn)行制造，一種利用具有壓電性能的半導(dǎo)體層(PMUT)，而另一種利用形成電容器(所謂的電容式微加工超聲換能器GMUT))的膜(或隔膜)和具有電極的基底(或電極板)。
[0003]cMUT單元包括膜下方的腔室。為了接收超聲波，超聲波引起膜移動(dòng)或振動(dòng)，并且電極之間的電容的振動(dòng)可被檢測。因此，超聲波轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)。相反地，施加至電極的電信號(hào)引起膜移動(dòng)或振動(dòng)，并且從而發(fā)射超聲波。
[0004]初始地，cMUT單元生產(chǎn)成以已知為“未塌陷”模式操作。常規(guī)的“未塌陷” cMUT單元本質(zhì)上為非線性裝置，其中效率高度取決于電極之間施加的偏置電壓。
[0005]為解決這個(gè)問題，最近已開發(fā)出所謂的“預(yù)塌陷” cMUT單元。在預(yù)塌陷cMUT單元中，膜的一部分永久性地塌陷或固定至腔室的底部(或基底)。在一定的偏置電壓之上，預(yù)塌陷cMUT的效率基本上與偏置電壓無關(guān)，這使得cMUT單元更具線性。
[0006]在預(yù)塌陷cMUT單元中，膜可利用不同的方法塌陷，例如，利用電塌陷或機(jī)械塌陷。
[0007]電塌陷例如可利用偏置電壓實(shí)現(xiàn)。W02009/037655A2公開了一種生產(chǎn)cMUT的方法，所述方法包括:提供幾乎完整的cMUT，其中所述幾乎完整的cMUT限定一個(gè)或多個(gè)cMUT元件，所述cMUT元件包括:(i)基底層，(ii)電極板，(iii)膜層，和(iv)電極環(huán)；限定穿過每個(gè)cMUT元件的膜層的至少一個(gè)孔；施加橫跨一個(gè)或多個(gè)cMUT元件的膜層和基底層的偏置電壓以使膜層相對(duì)于基底層塌陷；以及通過施加封裝層而使塌陷膜層相對(duì)于基底層固定并密封。
[0008]機(jī)械塌陷例如可利用環(huán)境空氣壓力實(shí)現(xiàn)。W02010/097729A1公開了一種cMUT單元，該cMUT單元包括基底、附接至基底的第一電極、以與第一電極間隔開的關(guān)系形成的可移動(dòng)膜、附接至膜的第二電極和保持構(gòu)件；該保持構(gòu)件在膜處于預(yù)塌陷狀態(tài)時(shí)遮蓋可移動(dòng)膜，這在不存在偏置電壓的情況下作用以將膜保持在其預(yù)塌陷狀態(tài)。在一個(gè)實(shí)例中，保持構(gòu)件鑄造(cast)于cMUT換能器單元上方，同時(shí)膜通過對(duì)該膜施加(大氣)壓力被帶入至預(yù)塌陷狀態(tài)。
[0009]如W02010/097729A1中所公開的預(yù)塌陷cMUT單元已成功地制造為具有較大直徑膜的低頻cMUT單元。塌陷壓力是低的并且cMUT單元通過環(huán)境空氣壓力塌陷(即，膜接觸腔室的底部)。然而，關(guān)于高頻cMUT單元，不能施加如W02010/097729A1所公開的保持構(gòu)件，因?yàn)樗輭毫Ψ浅４蟛⑶铱扇菀椎爻隼?巴或甚至10巴。在這種情況下，如W02010/097729A1中所公開的保持層的強(qiáng)度不足以將膜保持到位。因此，如W02010/097729A1中所公開的cMUT單元的問題為，其本質(zhì)上為“大膜”解決方案，但是對(duì)具有小膜直徑的高頻cMUT單元不起作用。
[0010]存在改善此類預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元(特別是高頻)的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0011]本發(fā)明的目標(biāo)是提供一種改善的預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元和制造該換能器單元的方法，特別是針對(duì)高頻預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元。
[0012]在本發(fā)明的第一方面，提出一種預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元，其包括基底；覆蓋總膜區(qū)域的膜，其中腔室形成于膜和基底之間，膜包括孔和圍繞該孔的邊緣部分，膜的邊緣部分塌陷至基底；和布置在膜的孔中的塞子，塞子僅位于總膜區(qū)域的子區(qū)域中。
[0013]在本發(fā)明的又一方面，提出了一種制造預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元的方法，所述方法包括以下步驟:提供基底；提供覆蓋總膜區(qū)域的膜，其中腔室形成于膜和基底之間，在膜中提供孔，使得膜包括圍繞孔的邊緣部分；使膜的邊緣部分塌陷至基底；以及提供布置在膜的孔中的塞子，塞子僅位于總膜區(qū)域的子區(qū)域中。
[0014]本發(fā)明的基本思想是提供一種簡約解決方案，以用于提供一種預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元，特別地高頻預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元。在膜的孔中提供塞子，塞子僅位于總膜區(qū)域的子區(qū)域中(不是在總膜區(qū)域的所有區(qū)域中)。例如，在圓形單元和膜的情況下，總膜區(qū)域可由膜(或腔室)的直徑限定。塞子用于將膜永久性地固定至基底(或腔室的底部)。塞子足夠強(qiáng)壯以保持膜被永久性地固定至基底。與總體膜厚度相比，塞子可更厚(許多)，這給予CMUT裝置更多的設(shè)計(jì)自由度。
[0015]塞子僅位于或覆蓋總膜區(qū)域的子區(qū)域，并且因此它并非位于或覆蓋總膜區(qū)域的所有區(qū)域(且可能延伸超過總膜區(qū)域)的保持層。與塞子30相反，這種保持層有些類似于彈簧，因?yàn)槠鋵涯け３种帘砻?，但是如果您在向上方向?遠(yuǎn)離基底)在膜上施加足夠強(qiáng)的力(例如，拉)，那么膜仍將移動(dòng)。該過程將為可逆的。人們可想象，例如在環(huán)境壓力(I巴)下，這種保持層將足夠強(qiáng)以保持膜，但在真空中，膜可被釋放。與之相反，塞子真實(shí)地將膜固定(或釘牢)至基底表面。釋放膜的唯一方式將是破壞塞子。
[0016]本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例限定于從屬權(quán)利要求中。應(yīng)理解，所要求保護(hù)的制造方法具有與所要求保護(hù)的單元和從屬權(quán)利要求中所限定的優(yōu)選實(shí)施例類似的和/或等同的優(yōu)選實(shí)施例。
[0017]在一個(gè)實(shí)施例中，膜的孔位于總膜區(qū)域的中心區(qū)域中。如此，能夠提供具有均一的轉(zhuǎn)能特性的預(yù)塌陷單元。
[0018]在另一個(gè)實(shí)施例中，塞子接觸或被固定至基底。如此，塞子能夠被永久性地附接至基底。具體地，塞子是靜止的(非可移動(dòng)的)。
[0019]在又一個(gè)實(shí)施例中，塞子包括布置在基底上的莖部和布置在邊緣部分上的頭部。該形狀已證明是特別適合的。頸部能夠用于永久性地附接至基底，且頭部能夠用于永久性地附接至膜的邊緣部分。因此，塞子和膜的邊緣部分能夠永久性地附接至基底。
[0020]在又一個(gè)實(shí)施例中，塞子包括通過移除相對(duì)于膜具有預(yù)定應(yīng)力值的應(yīng)力層而形成的凹部。在制造的過程中，應(yīng)力層可有助于將膜的邊緣部分固定至基底，但是應(yīng)力層然后被移除，由此在塞子中具有凹部形式的特征圖案。凹部具體地可以是在塞子的頭部中。
[0021]在又一個(gè)實(shí)施例中，塞子由氮化物、二氧化硅或其組合制成。該材料使用容易、強(qiáng)度大且便宜，并且能夠應(yīng)用在工業(yè)過程中(例如PECVD工具)。
[0022]在又一個(gè)實(shí)施例中，所述單元還包括在膜上的應(yīng)力層，所述應(yīng)力層具有預(yù)定應(yīng)力值。該壓力層可有助于將膜的邊緣部分永久性地固定至基底。特別地，應(yīng)力層能夠在膜上在朝向基底的方向上提供彎曲力矩(或膜的偏轉(zhuǎn))以使得膜的邊緣部分塌陷至基底。
[0023]在又一個(gè)實(shí)施例中，所述單元還包括布置在膜和/或塞子上的覆蓋層。如此，可實(shí)現(xiàn)所述單元厚度或膜厚度與所述單元的特定共振頻率的匹配(從而提供聲學(xué)性能控制)或與操作范圍的匹配。另外，覆蓋層可提供化學(xué)鈍化。
[0024]在另一個(gè)實(shí)施例中，所述單元還包括基底之上或之中的第一電極和/或膜之上或之中的第二電極。如此，可以容易的方式提供電容式單元。
[0025]在又一個(gè)實(shí)施例中，第二電極為環(huán)形電極。在另一個(gè)實(shí)施例中，腔室為環(huán)形腔室。在這些實(shí)施例的任一者中，所述單元可為圓形單元。圓形狀是一種有利的單元形狀，因?yàn)樵撔螤钐峁┝丝捎每臻g的相當(dāng)良好的填充和/或非常少的較高階振動(dòng)模式，特別是與對(duì)于發(fā)射的能量所需的模式對(duì)抗或產(chǎn)生掩蓋所需的接收信號(hào)的非所需信號(hào)的振動(dòng)模式。
[0026]在又一個(gè)實(shí)施例中，子區(qū)域(塞子位于其中)小于由環(huán)形第二電極的孔限定的區(qū)域。如此，第二電極位于膜的可移動(dòng)區(qū)域中并且不位于非可移動(dòng)區(qū)域中，使得所述單元的良好換能性能得以保持。
[0027]在另一個(gè)實(shí)施例中，在該方法中，提供塞子包括至少在總膜區(qū)域中在膜上施加額外層以及將該層移除，位于子區(qū)域中的層部分除外。如此，能夠以容易的方式提供塞子。
[0028]在又一個(gè)實(shí)施例中，所述方法還包括在膜上提供應(yīng)力層，應(yīng)力層相對(duì)于膜具有預(yù)定應(yīng)力值。該壓力層可有助于將膜的邊緣部分永久性地固定至基底。特別地，應(yīng)力層能夠在膜上在朝向基底的方向上提供彎曲力矩以使得膜的邊緣部分塌陷至基底。
[0029]在一個(gè)實(shí)施例中，所述單元為電容式微加工超聲換能器(cMUT)單元以用于發(fā)射和/或接收超聲波。在替代實(shí)施例中，所述單元為用于測量壓力的電容式微加工壓力換能器(或傳感器)單元。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]本發(fā)明的這些和其他方面參考下文所描述的實(shí)施例將是顯而易見的并進(jìn)行闡述。在附圖中:
[0031]圖1根據(jù)第一實(shí)施例示出了預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元的橫截面示意圖，
[0032]圖2根據(jù)第二實(shí)施例示出了預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元的橫截面示意圖，
[0033]圖3a至3i各自示出了制造根據(jù)第一實(shí)施例或第二實(shí)施例的塌陷電容式微加工換能器單元的方法的不同制造步驟，
[0034]圖3f和3g各自示出了制造根據(jù)第二實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元的方法的制造步驟，和
[0035]圖4示出了根據(jù)一個(gè)實(shí)施例的預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元的一組掩模的頂視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0036]可示出，塌陷壓力Pc (即，靜態(tài)空氣或水壓力，膜通過靜態(tài)空氣或水壓力恰好接觸基底或腔室的底部)等于
【權(quán)利要求】
1.一種預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元(10)，包括: -基底(12)， -膜(14)，所述膜(14)覆蓋總膜區(qū)域(A,6)，其中腔室(20)形成于所述膜(14)和所述基底(12)之間，所述膜(14)包括孔(15)和圍繞所述孔(15)的邊緣部分(14a)，所述膜(14)的所述邊緣部分(14a)塌陷至所述基底(12);以及 -布置在所述膜(14)的所述孔(15)中的塞子(30)，所述塞子(30)僅位于所述總膜區(qū)域(Ag)的子區(qū)域(k子中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述膜(14)的孔位于所述總膜區(qū)域(A&)的中心區(qū)域中。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述塞子(30)接觸或被固定至所述基底(12)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述塞子(30)包括布置在所述基底(12)上的莖部(30a)和布置在所述邊緣部分(14a)上的頭部(30b)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述塞子(30)包括通過移除相對(duì)于所述膜(14)具有預(yù)定應(yīng)力值的應(yīng)力層而形成的凹部。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述單元還包括在所述膜(14)上的應(yīng)力層(17)，所述應(yīng)力層具有預(yù)定應(yīng) 力值。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述塞子(30)由氮化物、二氧化硅或其組合制成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，還包括布置在所述膜(14)和/或所述塞子(30)上的覆蓋層(40)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，還包括在所述基底(12)之上或之中的第一電極(16)和/或在所述膜(14)之上或之中的第二電極(18)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的單元，其中所述第二電極(18)是環(huán)形電極。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述腔室(20)是環(huán)形腔室。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的單元，其中所述單元為用于發(fā)射和/或接收超聲波的電容式微加工超聲換能器(cMUT)單元。
13.—種制造預(yù)塌陷電容式微加工換能器單元(10)的方法，所述方法包括如下步驟: -提供基底(12)， -提供覆蓋總膜區(qū)域(A,6)的膜(14)，其中腔室(20)形成于所述膜(14)和所述基底(12)之間， -在所述膜(14)中提供孔(15)，以使得所述膜(14)包括圍繞所述孔的邊緣部分(14a), -使所述膜(14)的邊緣部分(14a)塌陷至所述基底(12);以及 -提供布置在所述膜(14)的孔(15)中的塞子(30)，所述塞子(30)僅位于所述總膜區(qū)域(Ag)的子區(qū)域(k子中。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，其中提供所述塞子(30)包括至少在所述總膜區(qū)域(A,6)中在所述膜(14)上施加額外層以及將該額外層移除，位于所述子區(qū)域(A〒)中的額外層部分除外。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的方法，還包括在所述膜(14)上提供應(yīng)力層(17)，所述應(yīng)力層(17)相對(duì)于所述膜(14)具有預(yù)定應(yīng)力值。
【文檔編號(hào)】B06B1/02GK103906579SQ201280052980
【公開日】2014年7月2日 申請(qǐng)日期:2012年10月15日 優(yōu)先權(quán)日:2011年10月28日
【發(fā)明者】P·迪克森, R·德克爾, V·A·亨內(nèi)肯, A·萊文斯泰因, B·馬賽利斯, J·D·弗雷澤 申請(qǐng)人:皇家飛利浦有限公司